煤矿工作面瓦斯涌出量的预测与防治

崔佳斌

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

引 言

煤矿安全生产问题关系着煤矿综采工作面的采煤效率和工作面作业人员安全。随着综采设备自动化水平、开采工艺及采煤技术的进步，工作面的采煤效率已得到显著提升，从而对工作面安全生产的保障措施和要求提出了更高的要求。工作面瓦斯的涌出、突出以及灾害等事故不同于火灾、透水以及顶板冒落等事故，而且因瓦斯所造成的事故与煤矿工作面地质因素、开采工艺以及人为因素有关[1]，因此，为了预防由于瓦斯治理不合格所导致的矿井事故，可通过提升预测工作面的瓦斯涌出量，为瓦斯的治理提供依据。

1 工程概况

本文以宏远煤矿3#煤层为研究对象，目前3#煤层探明的可供开采的煤炭储量为34 Mt，基于综合机械化采煤设备，煤矿所设计的生产能力为1.2 Mt。西部下组煤回风巷道断层、褶曲发育情况及分布如下：

褶曲：工作面中东部整体为一单斜构造，东高西低，局部地段发育有小型背向斜构造，煤岩层倾角3°～7°，工作面西部整体呈一盆状构造，煤岩层倾角3°～10°，相对低点位于工作面巷道开口前3 373 m处。

断层：据周边8#煤巷资料及上覆2#煤巷揭露资料推测，该巷掘进中开口前218 m遇正断层F8624(H=1.5 m)，对掘进有一定影响，预计掘进中还将有断层出现。断层特征表如表1所示。

表1 断层特征表

陷落柱：因8#煤层陷落柱较发育，该巷在掘进中可能会揭露中小型陷落柱。

节理：据周边8#煤资料分析，该面局部地段顶板节理比较发育，陷落柱、断层附近构造节理较发育，对掘进有一定影响。

工作面无火成岩侵入及煤层分叉现象。经对3#煤层瓦斯量的测定，该煤层总瓦斯含量为11.67 m3/t～13.47 m3/t，经换算后每开采一吨煤涌出的瓦斯量为10.43 m3/t～12.12 m3/t,而原煤残存的瓦斯总量为3.21 m3/t～3.65 m3/t。

2 工作面瓦斯涌出量的影响因素及其预测方法分析

2.1 工作面瓦斯涌出量的影响因素分析

所谓瓦斯涌出量指的是，在煤矿开采过程中从煤层和岩层中涌出的瓦斯量。在实际生产中，常通过绝对瓦斯量或相对瓦斯量对瓦斯的涌出量进行衡量[2]。其中，绝对瓦斯量为在开采过程中煤层或者岩层每分钟涌出的瓦斯量；相对瓦斯量为在开采过程中煤层或岩层所涌出的瓦斯量与工作面煤炭产量的比值。二者的关系如式(1)所示：

qCH4=QCH4/A

(1)

式中，qCH4为相对瓦斯涌出量，m3/t；A为工作面的日生产量，t/d；QCH4为绝对瓦斯涌出量，m3/d。

瓦斯以两种形式存在于煤层或者岩层中，为游离瓦斯和吸附瓦斯。在实际开采过程中，吸附于煤层或者岩层的瓦斯变为游离状态涌出。一般的，影响工作面瓦斯涌出量的因素包括有自然因素和开采技术因素。其中，自然因素主要包括有大气压力、温度以及工作面煤层的瓦斯参数；开采技术主要包括煤层的开采规模和所采用的生产工艺。

2.2 工作面瓦斯涌出量预测方法分析

传统应用于瓦斯涌出量预测方法包括有统计预测法(简易统计法、线性回归法)和分源预测法(需掌握煤层的瓦斯风化带深度，煤层底层的剖面图和柱状图，煤层的采取布置图、开采顺序以及所采用的采煤工艺和通风方式[3]。)

3 3#煤层工作面瓦斯涌出量的预测

工作面瓦斯的涌出量包含有回采工作面瓦斯涌出量、掘进工作面的瓦斯涌出量以及采区的瓦斯涌出量。

3.1 回采工作面瓦斯涌出量的预测

3#煤层所采用的开采方式为综采放顶采煤工艺，其对应的顶板管理方法为全部垮落法。因此，回采工作面所涌出的瓦斯主要来源于围岩层和邻近煤层内[4]。

其中，由于工作面采用综采放顶采煤工艺，根据对应的开采层围岩瓦斯涌出量的计算公式得出：3#煤层开采围岩层所涌出的瓦斯量为11.03 m3/t；邻近层工作面的瓦斯涌出量为2.12 m3/t。则，回采工作面总的瓦斯相对涌出量为13.15 m3/t，瓦斯绝对涌出量为31.51 m3/min。

3.2 掘进工作面瓦斯涌出量的预测

3#煤层掘进工作面瓦斯涌出量包括在掘进过程中煤壁的瓦斯涌出量和落煤瓦斯的涌出量。煤壁瓦斯的涌出由于瓦斯的压力发生变化使瓦斯更容易从煤壁暴露至空气中。3#煤层工作面采用综合放顶采煤工艺，对应煤壁涌出的瓦斯量为3.14 m3/min，伴随着落煤所涌出的瓦斯量为1.10 m3/min。则掘进工作面所涌出瓦斯总量为6.13 m3/min。

3.3 采区瓦斯涌出量的预测[见式(2)]

q=k(qcA+1 440qj)/A0

(2)

式中，k为采空区瓦斯的涌出系数，取k=1.25；qc为回采工作面瓦斯的相对涌出量，qc=13.15 m3/t；A为回采工作面的平均日常量，A=3 451 t；qj为掘进工作面瓦斯的绝对涌出量，qj=6.13 m3/min；A0为采区的平均日产量，A0=3 636 t。

根据上述计算公式，得出3#煤层采区瓦斯的相对涌出量为15.6 m3/min，对应的绝对瓦斯涌出量为39.39 m3/min。

4 工作面瓦斯的防治

根据煤矿工作面所选采煤工艺、机械设备的布置以及瓦斯涌出量的预测结果，3#煤层从用抽采方法实现对其工作面瓦斯的防治[5]。瓦斯抽采方案设计时需遵循以下原则：

1) 根据回采工作面、掘进工作面以及采区瓦斯涌出量所占比例的不同，将各种方法结合使用，从而达到增大瓦斯抽采率的目的；

2) 尽可能地减少井巷的工程量和作业人员的劳动强度；

3) 确保所建设工程布置的合理性，便于后期的维护和修理。

3#煤层工作面在回采工作面、掘进工作面以及采区均出现不同量的瓦斯涌出，故需对上述三个工作面进行瓦斯的防治。

4.1 采区瓦斯的抽采

采区所涌出的瓦斯采用斜向钻孔的方式进行抽采。其中，工作面在开采前对瓦斯进行预抽，在开采期间采用卸压抽采的方式。采区抽采方式交叉钻孔的参数如表2所示。

表2 采区工作面交叉钻孔参数

4.2 掘进工作面瓦斯的抽采

掘进工作面采用边掘边抽的瓦斯抽采方式，该抽采方式具有抽采效果好且抽采不影响工作面掘进。基于边掘进边抽采的方式，其对应的钻孔的参数如表3所示。

表3 掘进工作面交叉钻孔参数

4.3 邻近层、采空区工作面瓦斯的抽采

经现场测量可知，采空区瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量的46%。结合3#煤层特点及开采条件，采空区采用高位钻孔抽采方式对瓦斯进行抽放。

钻场布置：沿回风顺槽布置钻场，每个钻场的间距为50 m，钻场的长度为4 m，宽度为3 m，钻场的高度与巷道的高度一致。每个钻场内布置8个钻孔，且钻孔按照扇形进行布置。

5 结语

综采工作面涌出的瓦斯威胁着工作面的安全生产。为确保综采工作面的安全生产，在保证综采设备可靠性、通风系统效能以及支护效果因素外，还需确保工作面的瓦斯浓度满足《煤炭安全规程》的相关要求。针对我矿3#煤层，采用抽采工艺实现对涌出瓦斯的治理。